熔断器产品设计与开发

胡相勇

摘 要：随着集成电路、电子设备的保护要求不断提高，用户对于电子设备的功能也在不断的提升，这给熔断器的性能提出严峻的挑战，因此有必要对熔断器产品的性能进行设计和开发，只有不断的对熔断器的设计和研发，才能提高电子设备、电路的整体性能，为集成电路提供更为安全的保障。

关键词：电子设备；熔断器；设计与开发；安全保障

0引言

在汽车电器设计或其它电器设计中，设计人员对熔断器的选用设计非常重视[1-3]。据不完全统计，在熔断器选用方面，由于设计人员缺乏专业知识，再加上对熔断器的使用掌握不够，选则的熔断器没有达到预期的保护效果，导致设计出来的熔断器无法满足用户的使用要求，造成严重的电器火灾和安全事故。例如：全世界每年有80%汽车火灾的发生都与熔断器的设计有关，其经济损失达到数亿美元[4-5]。因此，熔断器设计与研发是整个电路安全、电气设备安全运行的首要条件。

1.熔断器的工作原理与设计要求

熔断器又称“保险”，主要是利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而断开电路的一种电器[6-8]。熔断器产品作为短路和过电流的保护器，具有结构简单、使用方便，广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，是应用最普遍的保护器件之一[9]。

物理学中我们知道，当电流流过导体时，导体内部存在一定的电阻，根据焦耳定律：

式中：参数Q表示为导体的发热量；参数I表示为流过该导体的电流；参数R表示为导体的电阻；参数T表示为电流流过导体的持续时间。可知导体会发热，发热量Q正比于I2和时间T。

2.熔断器的设计要求

熔断器作为保护型的电源开关，它融合了多种的检测和保护功能，在有效提高性能的基礎上减少了使用元器件的个数，更加便于集成化小型化的发展[10]。正确理解熔断器类保护型电源开关的设计参数，设计者能够设计出更低成本，高可靠性的产品，改善用户对产品的体验和感受。

该熔断器的设计应该遵循电源管理规范，需要具备电流限流和电源切换的功能。熔断器可被用做防浪涌电流的限流器件，它满足导通电阻小，限流响应速度快的特点。一旦出现过流的情况，熔断器会因电流过大而出现断开的现象，熔断器应用中的重要参数包括：开关导通电阻、导通压降、限流设定点、过压保护阈值门限、软启动时间等[11-12]。对这些参数进行简要介绍如下：

（1）开关导通电阻：

熔断器的导通电阻会影响输入和输出之间的压降，最终会影响用户的应用范围[13]。导通阻抗高就会导致在熔断器上产生较大压降，将影响后续连接设备的供电电压，会使设计不满足规范标准。熔断器采用管做开关，其导通电阻是电压的函数，设计应满足总线电压较低时其导通压降也能满足应用要求。

（2）导通压降：

导通压降是指熔断器在所连接设备正常工作状态下输入与输出之间的电压差[14-15]。压降小熔断器内部的功率损耗就会小，可以提高工作效率和使用寿命。

（3）限流设定点：

限流设定点是指所连接设备的负载电流超过正常工作的极限水平时的电流值，这个值的设置需要考虑故障条件的严重程度。

（4）过压保护阈值门限：

当上行端口的供电电压过高时，如果不能及时断开输入和输出很有可能对所连接设备造成不可恢复的损坏，因此当输入电压超过阈值门限时熔断器会断开连接设备的供电对其实施保护。

（5）软启动时间

软启动时间是指当芯片设备刚连入端口或者故障解除后需要重新启动所设置的可以正常工作时间[16-17]。由于熔断器需要实现热插拔的功能，而熔断器热插拔功能的实现靠内部的软启动来实现，通过合理控制输出电压的启动时间对设备连入瞬间的浪涌电流进行控制，以保护上行端口邻近设备的供电不受其他设备突然插入或拔出的影响。基于此本人重点根据熔断器的需要分析，设计了相关熔断器的产品，并申请了专利，产品如下：一种鳄鱼嘴式熔断器的设计、一种自锁式熔断器的设计和一种带有拉拔旋转式手柄的熔断器的设计。现对其进行介绍如下：

2.1一种鳄鱼嘴式熔断器的设计

目前，现有市场上面的熔断器底座连接电源线方式比较单一，只能上下一字型连接电源线，不可多极排线，同时安装接线牢固度不高，接线安装十分不方便，，电源线易发生松动，导致导电不良和电弧现象的发生，有一定的安全隐患。基于此，设计一种新型的鳄鱼嘴式熔断器。

鳄鱼嘴式熔断器由本体、夹钳、夹钳螺钉、熔断管、夹钳卡夹、上盖、手柄、底座、终端螺钉、接线座、终端卡夹等构成，本体的上部安装有手柄、上盖，、内部安装有熔断管，本体的一端通过夹钳卡夹固定有夹钳，夹钳上设置有防止电源线后退的钩齿，本体另一端的底座上通过终端卡夹固定有接线座，夹钳上安装有夹钳螺钉，夹钳螺钉上连接有压片，接线座上安装有终端螺钉，终端螺钉上连接有压线片，本体底部安装有止动件。鳄鱼嘴式熔断器如图1所示。

该装置安装方便，使用灵活，可多极排线同时接线，接线牢固度，电源线不易发生松动，杜绝导电不良和电弧现象的发生，大大提高安全性。

每个熔断器上均设置有一个U型夹钳，U型夹钳可以上下活动，当夹钳内放入电源线排线，夹钳螺钉顺时针转动，夹钳上升，夹紧电源线排线，同时夹钳上的钩齿能防止电源线松动后退，把电源连接到熔断器底座内再通过电源出线输出到使用电源的设备上；夹钳螺钉逆时针转动，夹钳下降松电源线排线，断开电源。

该熔断器的应用场合可以分为单极使用和多极排线同时接线。当产品单极使用时，即本体设置有一个，作为单极熔断器结构，可以使用侧盖扣接在夹钳的左侧，从右侧进电源线排线，夹钳锁紧后接通电源。熔断器底座多极同时使用时，用进排线同时链接多个熔断器，由多个本体并排设置组成多极排线接线结构，由夹钳接入电源线排线，各极接线座接出电源出线；

该熔断器可以排线进线，可以实现上端口单一排线、多几极同时接线，无需分段单个进电源线功能，采用夹钳锁紧牢固，电源连接线不会后退松动，杜绝导电不良和电弧发生，具有方便安装，安装后牢固度可靠安全，同时进电排线可以左右两侧进线，便于在空间比较小配电柜中使用，灵活实用，具有广阔的市场应用前景。

2.2一种自锁式熔断器的设计

熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。其原理主要是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。

自锁式熔断器主要包括壳体、熔管以及接线端子，熔管设置在壳体内，接线端子分别设置在熔管的两端，人们通过在接线端子的两端连接导线来将熔断器接入到电路中。人们为了方便快速拆装更换熔管，设置一空心手柄，将熔管装在手柄中，然后在手柄设置导电件，当手柄装载着熔管插入到壳体内后，导电件与壳体内的接线端子导电，从而让熔断器能够快速方便的在电路中工作。这种方式在很大程度上方便了工作人员的拆装工作，但是手柄装在壳体中的牢固度难以保证，若是在使用过程中手柄脱落出壳体，非常容易造成难以挽回的安全事故，因而存在很大的安全隐患。

基于上述的缺陷和问题设计了一种自锁式熔断器，手柄联动连接有自锁机构，自锁机构包括可转动的推动联动凸耳位移的转动卡盘、可摆动的推动转动卡盘旋转的拨动旋钮以及用于定位住拨动旋钮的弹性回复组件，转动卡盘通过扭簧转动与壳体转动连接，弹性回复组件包括滑移条、回复压簧以及摆动连杆，滑移条在手柄的出入方向与壳体的侧壁滑移连接，拨动旋钮在手柄拔出方向上与壳体转动连接，摆动连杆一端与回复压簧一端铰接，另一端与滑移条铰接，回复压簧一端与壳体固定连接，另一端与滑移条相对摆动连杆的另一端铰接，拨动旋钮具有一延伸至壳体外的拨动部。其手柄内的熔管也不容易脱落造成不必要的事故，熔断器的使用更加安全可靠。一种自锁式熔断器如图2所示。

其具体的保护过程如下：转动卡盘的设置能够通过与联动凸耳联合推动作用来推动手柄，让手柄在壳体内具有位移，拨动旋钮联动连接着弹性回复组件与拨动旋钮，也就使得人们可以通过拨动旋钮来操控手柄的位移，滑移条的滑移方向是沿着手柄的出入方向，也就使得人们操控拨动旋钮的后，转动卡盘的提升方向，也是沿着手柄的出入方向的，从而使得人们可以通过拨动旋钮来操控手柄沿着其出入方向上位移，也就使得手柄的拔出或者放入能够人为的控制，则在不需要拔出手柄过程中就可以转动拨动旋钮来让转动卡盘卡住联动凸耳，从而将手柄锁在壳体内，这样在手柄内的熔管也不容易脱落造成不必要的事故通常为了满足长久的使用和一定的弹性需要。

2.3一种带有拉拔旋转式手柄的熔断器的设计

熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔管熔断，断开电路的一种电器。熔断器包括壳体和壳体内的熔断器组件，熔断器组件包括熔管和其他的电元件，熔管与其他的电元件电连接，来实现熔断器正常的工作状态。熔断器在长期工作的情况下，熔管容易损坏，熔管损坏后需要更换。市场上常见的熔断器，通常将熔管固定于壳体内后，再将壳体用螺丝进行固定，这样结构设置的熔断器，在拆卸熔管的过程非常不便，需要寻找工具将螺丝拧出后，再取出壳体内损坏的熔管，致使工作效率低下，而且费时费力。

基于上述的缺陷和存在的问题，设计了一种带有拉拔旋转式手柄的熔断器，该熔断器的手柄部与壳体可拆卸固定连接，在壳体上设置供手柄部嵌设的凹槽，手柄部的两侧设有滑块，凹槽的内壁上设有供滑块来回滑移的滑槽，滑槽的两端设有用于防止滑块滑移的限位部，限位部包括设于滑槽两侧的限位块，限位块上设有用于导向滑块滑移至限位部内的第一楔形面，第一楔形面上的斜面由凹槽的开口端朝向凹槽的底部向下倾斜设置，和导向滑块滑移出限位部的第二楔形面，第二楔形面上的斜面由凹槽的底部朝向凹槽的开口端向上倾斜设置。

该设计的熔断器由壳体、凹槽、滑槽、限位部；限位块；第一楔形面；第二楔形面；限位槽；手柄部；滑塊；容置腔；第一固定端；第二固定端；固定槽；卡件；拉手；熔管等部分构成。壳体内设有用于放置熔管的手柄部，手柄部的两端分别与壳体内的电元件电连接，手柄部与壳体可拆卸固定连接，壳体上设有供手柄部嵌设的凹槽，手柄部的两侧设有滑块，凹槽的内壁上设有供滑块来回滑移的滑槽，滑槽的两端设有用于防止滑块滑移的限位部，限位部包括设于滑槽两侧的限位块，限位块上设有用于导向滑块滑移至限位部内的第一楔形面，第一楔形面上的斜面由凹槽的开口端朝向凹槽的底部向下倾斜设置，和导向滑块滑移出限位部的第二楔形面，第二楔形面上的斜面由凹槽的底部朝向凹槽的开口端向上倾斜设置。

当熔管损坏时，将嵌设于凹槽内的手柄部朝向凹槽开口处移动，滑块沿着限位上的第二楔形面上的斜面，滑移出限位部，滑块进入到滑槽内且沿着滑槽朝向凹槽的开口方向滑移，直至手柄部滑移出壳体，滑块嵌设于凹槽开口处的限位部内，滑块沿着限位块上的第一楔形面滑移到限位部内，保证手柄部不易回到壳体内，手柄部滑移出凹槽后，将安装于手柄部内的熔管取出更换，更换完成后，将手柄部沿着滑槽滑移到壳体内，将滑块嵌设于凹槽底部的限位部内，防止手柄部滑移出壳体，起到固定手柄部的作用，该结构的设计使得熔管的拆卸方便，提高工作效率，省时省力。

3.总结

随着我国高新技术的不断更新，对于熔断器的设计必定呈现出百花齐放的局面，进一步促进熔断器的性能，满足更多的使用场合，尤其是特殊场合的电气、电路保护装置，因为有了特殊的熔断器的保护，为设备的正常运行提供保障，与此同时，为人们的衣食住行提供安全、稳定的生活条件。

参考文献：

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[5]张紫龙，文博宇，翁剑清，翁颖蕾.基于ComsolMultiphysics喷射式熔断器弧前时间数值仿真[J].电工技术，2018（23）：4-6.